Diseño mecánico: criterios de falla, rigidez y selección de materiales
El dominio Diseño mecánico evalúa la capacidad de dimensionar elementos y seleccionar materiales con criterios de resistencia, rigidez, fatiga y fabricación. No basta con calcular un esfuerzo: debes justificar el criterio de falla, las unidades y el margen de seguridad.
Conceptos núcleo
- Esfuerzo normal por flexión: σ = M c / I; cortante por torsión: τ = T c / J. En un eje circular sólido, I = πd⁴/64 y J = πd⁴/32.
- Para material dúctil, el esfuerzo equivalente de von Mises es σ' = √(σ² + 3τ²); el factor de seguridad estático es n = Sy/σ'.
- La fatiga se evalúa con amplitud y media; el criterio de Goodman relaciona σa/Se + σm/Sut ≤ 1/n. Los concentradores se aplican con Kf sobre la componente alternante.
- Rigidez y tolerancias: una flecha excesiva o un ajuste mal especificado invalidan el diseño aunque el material no falle.
Ejemplo resuelto
Eje sólido de d = 30 mm, M = 150 N·m, T = 120 N·m, Sy = 350 MPa, sin concentradores. c = 0,015 m; I = π(0,03)⁴/64 = 3,976×10⁻⁸ m⁴; J = 7,952×10⁻⁸ m⁴. σ = 150(0,015)/3,976×10⁻⁸ = 56,6 MPa. τ = 120(0,015)/7,952×10⁻⁸ = 22,6 MPa. σ' = √(56,6² + 3×22,6²) = 68,9 MPa. n = 350/68,9 = 5,08. El eje cumple estáticamente; aún debe revisarse fatiga si las cargas fluctúan.
Errores que cuestan puntos
Usar radio en vez de diámetro, mezclar MPa con N/mm² -equivalen-, aplicar von Mises a un cortante puro sin convertir, confundir Sy con Sut, ignorar el concentrador en el cambio de sección y declarar seguro un componente sin evaluar fatiga o deflexión.